AESA雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)有哪些 AESA雷達(dá)系統(tǒng)如何工作

有源電子掃描陣列通常稱為AESA，是一種相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)。它由一組天線組成，這些天線形成一束無(wú)線電波，可以瞄準(zhǔn)不同的方向，而無(wú)需物理移動(dòng)天線本身。AESA技術(shù)的主要用途是雷達(dá)系統(tǒng)。

AESA系統(tǒng)目前用于許多不同的軍事平臺(tái)，包括軍用飛機(jī)和無(wú)人機(jī)，以提供卓越的態(tài)勢(shì)感知。

ASEA技術(shù)的發(fā)展可以追溯到1960年代初，隨著無(wú)源電子掃描陣列（PESA）雷達(dá)的發(fā)展，這是一種固態(tài)系統(tǒng)，它從單個(gè)源獲取信號(hào)并使用移相器模塊選擇性地延遲信號(hào)的某些部分，同時(shí)允許其他部分無(wú)延遲地傳輸。以這種方式傳輸信號(hào)可以產(chǎn)生不同形狀的信號(hào)，有效地將信號(hào)束指向不同的方向。這稱為波束轉(zhuǎn)向。

第一個(gè)AESA系統(tǒng)是在1980年代開(kāi)發(fā)的，與舊的PESA系統(tǒng)相比具有許多優(yōu)勢(shì)。與使用一個(gè)發(fā)射器/接收器模塊的PESA不同，AESA使用許多發(fā)射器/接收器模塊，這些模塊與天線元件接口，可以產(chǎn)生多個(gè)不同頻率的同步雷達(dá)波束。

AESA 雷達(dá)系統(tǒng)如何工作

雷達(dá)系統(tǒng)通常通過(guò)將天線連接到強(qiáng)大的無(wú)線電發(fā)射器來(lái)發(fā)射短脈沖信號(hào)來(lái)工作。然后斷開(kāi)發(fā)射器的連接，天線連接到敏感的接收器，該接收器放大來(lái)自目標(biāo)物體的任何回波。通過(guò)測(cè)量信號(hào)返回所需的時(shí)間，雷達(dá)接收器可以確定到物體的距離。然后接收器將結(jié)果輸出發(fā)送到某種顯示器。發(fā)射器元件通常是速調(diào)管或磁控管，適用于放大或產(chǎn)生窄范圍的頻率到高功率水平。要掃描天空的一部分，必須物理移動(dòng)雷達(dá)天線以指向不同的方向。

從1960年代開(kāi)始，引入了能夠以受控方式延遲發(fā)射器信號(hào)的新型固態(tài)設(shè)備。這導(dǎo)致了第一個(gè)實(shí)用的大型無(wú)源電子掃描陣列（PESA），或簡(jiǎn)稱相控陣?yán)走_(dá)。PESA從單個(gè)來(lái)源獲取信號(hào)，將其分成數(shù)百條路徑，選擇性地延遲其中一些路徑，并將它們發(fā)送到單獨(dú)的天線。來(lái)自單獨(dú)天線的無(wú)線電信號(hào)在空間中重疊，并且控制各個(gè)信號(hào)之間的干擾模式以在某些方向上增強(qiáng)信號(hào)，并在所有其他方向上使其靜音。延遲可以很容易地通過(guò)電子方式控制，允許在不移動(dòng)天線的情況下非常快速地控制波束。PESA可以比傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)更快地掃描大量空間。此外，由于電子技術(shù)的進(jìn)步，PESA增加了產(chǎn)生多個(gè)主動(dòng)波束的能力，使它們能夠繼續(xù)掃描天空，同時(shí)將較小的波束聚焦在某些目標(biāo)上，以跟蹤或引導(dǎo)半主動(dòng)雷達(dá)尋的導(dǎo)彈。PESA在1960年代迅速在船舶和大型固定炮臺(tái)上普及，隨后隨著電子設(shè)備的縮小，機(jī)載傳感器也隨之而來(lái)。

AESA是固態(tài)電子進(jìn)一步發(fā)展的結(jié)果。在早期的系統(tǒng)中，傳輸?shù)男盘?hào)最初是在速調(diào)管或行波管或類似設(shè)備中產(chǎn)生的，這些設(shè)備相對(duì)較大。接收器電子設(shè)備也很大，因?yàn)樗鼈兪褂玫念l率很高。在1980年代引入砷化鎵微電子學(xué)極大地減小了接收器元件的尺寸，直到有效的接收器可以以類似于手持無(wú)線電的尺寸建造，體積只有幾立方厘米。JFET和MESFET的引入也對(duì)系統(tǒng)的發(fā)射器側(cè)產(chǎn)生了同樣的影響。它產(chǎn)生了帶有低功率固態(tài)波形發(fā)生器的放大器發(fā)射器，為放大器供電，允許任何配備如此裝備的雷達(dá)在更寬的頻率范圍內(nèi)傳輸，直到隨著每個(gè)脈沖發(fā)出的改變工作頻率。將整個(gè)組件（發(fā)射器、接收器和天線）縮小成一個(gè)大約一盒牛奶大小的“發(fā)射器-接收器模塊”（TRM），并將這些元件排列起來(lái)，從而產(chǎn)生AESA。

與PESA相比，AESA的主要優(yōu)勢(shì)是不同模塊能夠在不同的頻率上運(yùn)行。與PESA不同，PESA中的信號(hào)由少量發(fā)射器以單個(gè)頻率生成，而在AESA中，每個(gè)模塊都會(huì)產(chǎn)生并輻射自己的獨(dú)立信號(hào)。這使得AESA能夠同時(shí)產(chǎn)生許多“子波束”，由于不同的頻率，它可以識(shí)別這些子波束，并主動(dòng)跟蹤更多的目標(biāo)。AESA還可以同時(shí)產(chǎn)生由許多不同頻率組成的波束，使用來(lái)自多個(gè)TRM的組合信號(hào)的后處理來(lái)重新創(chuàng)建顯示，就好像發(fā)送了單個(gè)強(qiáng)大的波束一樣。但是，這意味著每個(gè)頻率中存在的噪聲也會(huì)被接收和添加。

AESA的優(yōu)勢(shì)

1. 抗電子干擾 -AESA系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)之一對(duì)電子干擾技術(shù)的高度抵抗力。?雷達(dá)干擾通常是通過(guò)確定敵方雷達(dá)廣播的頻率，然后以相同頻率發(fā)射信號(hào)以混淆它來(lái)完成的。隨著時(shí)間的推移，工程師們開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)設(shè)計(jì)雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)抵消這種形式的干擾的方法，該系統(tǒng)可以隨著每個(gè)脈沖改變其頻率。但隨著雷達(dá)的進(jìn)步，干擾技術(shù)也在進(jìn)步。除了改變頻率外，AESA系統(tǒng)還可以在寬帶上分配頻率，甚至在單個(gè)脈沖內(nèi)，這種雷達(dá)技術(shù)稱為“啁啾”。這種特性的組合使得干擾AESA系統(tǒng)比其他形式的雷達(dá)要困難得多。

2. 低攔截 -AESA 系統(tǒng)被敵方雷達(dá)警告接收器（RWR）攔截的可能性也很低。RWR允許飛機(jī)或車輛確定來(lái)自外部來(lái)源的雷達(dá)波束何時(shí)擊中它。在這樣做的過(guò)程中，它還可以確定光束的原點(diǎn)，從而確定敵人的位置。AESA 系統(tǒng)在克服 RWR 方面非常有效。由于上面提到的“啁啾”頻率變化如此之快，并且完全是隨機(jī)的序列，因此RWR很難判斷AESA雷達(dá)波束實(shí)際上是否是雷達(dá)信號(hào)，或者只是世界各地發(fā)現(xiàn)的環(huán)境“白噪聲”無(wú)線電信號(hào)的一部分。

3. 提高可靠性 -使用 AESA 系統(tǒng)的另一個(gè)好處是每個(gè)模塊獨(dú)立運(yùn)行，因此單個(gè)模塊中的故障不會(huì)對(duì)整體系統(tǒng)性能產(chǎn)生任何重大影響。AESA 技術(shù)也可用于創(chuàng)建飛機(jī)和其他裝備系統(tǒng)之間的高帶寬數(shù)據(jù)鏈路。

4. 多模式功能 -?該雷達(dá)技術(shù)還支持多種模式，使系統(tǒng)能夠承擔(dān)各種任務(wù)，包括：

實(shí)波束映射

合成孔徑雷達(dá) （SAR）測(cè)繪

海面搜索

地面移動(dòng)目標(biāo)指示和跟蹤

空對(duì)空搜索和跟蹤

AESA 雷達(dá)面臨的挑戰(zhàn)

與大多數(shù)技術(shù)一樣，制造商在AESA雷達(dá)技術(shù)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中面臨著一些挑戰(zhàn)。最常見(jiàn)的挑戰(zhàn)包括電源、冷卻、重量和價(jià)格。

幸運(yùn)的是，隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，已經(jīng)取得了進(jìn)步（并且還在繼續(xù)進(jìn)步）。例如，這些雷達(dá)的重量在過(guò)去幾年中減少了一半以上，同時(shí)尺寸也減小了。這使得AESA可以安裝在飛機(jī)機(jī)頭以外的區(qū)域。雷達(dá)將能夠朝多個(gè)方向定向，并提供更廣闊的視野。

AESA雷達(dá)及其未來(lái)

正如Breifly所提到的，隨著AESA技術(shù)的進(jìn)步，它已經(jīng)變得更小，更實(shí)惠。這使得許多國(guó)家能夠?qū)ESA納入地面、海上和空中的遺留系統(tǒng)中。

認(rèn)知雷達(dá)：AESA技術(shù)的發(fā)展與信號(hào)處理的改進(jìn)齊頭并進(jìn)。這反映了非軍事領(lǐng)域的電子創(chuàng)新;由于軟件的改進(jìn)，您的手機(jī)今天可以執(zhí)行比十年前更多的任務(wù)。軟件創(chuàng)新以驚人的速度移動(dòng)將對(duì)雷達(dá)領(lǐng)域產(chǎn)生影響，特別是在人工智能（AI）領(lǐng)域。關(guān)鍵是機(jī)器能夠從其近期和遙遠(yuǎn)的過(guò)去的操作中吸取教訓(xùn)，并將其應(yīng)用于當(dāng)前環(huán)境。所謂的“認(rèn)知雷達(dá)”可以適應(yīng)人工智能的元素。

氮化鎵后：隨著氮化鎵（GaN）的出現(xiàn)，在AESA領(lǐng)域已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，氮化鎵是一種非常堅(jiān)硬的半導(dǎo)體，越來(lái)越多地用于TR模塊結(jié)構(gòu)。它高度耐熱，因此能夠處理高功率傳輸，與使用砷化鎵（AsGa）的傳統(tǒng) AESA T/R 模塊相比，它提高了雷達(dá)性能。下一個(gè)神奇的材料要么滿足使當(dāng)前基于技術(shù)的系統(tǒng)“不足”的要求，要么大大降低制造成本，從而為行業(yè)投資創(chuàng)造了“節(jié)省開(kāi)支”的理由。

小型化：摩爾定律假設(shè)單個(gè)芯片上的晶體管數(shù)量每?jī)赡攴环＿@使得電子產(chǎn)品可以在占用更少空間的同時(shí)做更多的事情，這也是今天的手機(jī)不再類似于 1980 年代的盒子狀結(jié)構(gòu)的原因。摩爾定律幫助雷達(dá)工程師將執(zhí)行雷達(dá)功能的電子設(shè)備塞進(jìn)各個(gè) TR 模塊上。小型化的驅(qū)動(dòng)力將繼續(xù)在雷達(dá)設(shè)計(jì)中，認(rèn)為電子產(chǎn)品正在進(jìn)入納米技術(shù)領(lǐng)域。這可能提供了將電子設(shè)備安裝到不斷縮小的空間中的能力，并有助于進(jìn)一步減少雷達(dá)的物理足跡。例如，AN/SPY-1雷達(dá)的總重量為65，733kg：在雷達(dá)設(shè)計(jì)中智能使用納米技術(shù)可以幫助顯著減小尺寸和重量，不僅適用于軍艦，也適用于整個(gè)平臺(tái)。

成本：資金是國(guó)防采購(gòu)中一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題：設(shè)備似乎很少變得更便宜，國(guó)防預(yù)算總是面臨壓力。需要關(guān)注制造成本和AESA雷達(dá)系統(tǒng)的技術(shù)性能?？蛻艨偸窃谠儐?wèn)他們聽(tīng)說(shuō)過(guò)的最新技術(shù)，實(shí)際上他們真正想要的是現(xiàn)成的成熟產(chǎn)品，不需要開(kāi)發(fā)。目標(biāo)是將這兩個(gè)屬性結(jié)合起來(lái)。這需要一個(gè)路線圖，提供定期的技術(shù)更新和支持這項(xiàng)投資的收入來(lái)源。

延長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間：2016年，雷神公司在美國(guó)陸軍協(xié)會(huì)的冬季貿(mào)易展上首次將其基于硝酸鎵（GaN）的AESA升級(jí)到愛(ài)國(guó)者空中和導(dǎo)彈防御系統(tǒng)，成為國(guó)防科技界的頭條新聞。自首次亮相以來(lái)，該系統(tǒng)已成功完成1000個(gè)運(yùn)行小時(shí)。通過(guò)將兩個(gè)面向相反方向的升級(jí)系統(tǒng)配對(duì)，它們可以覆蓋完整的 360 度范圍。

AESA 代表有源電子掃描陣列，而 PESA 代表無(wú)源電子掃描陣列。

PESA雷達(dá)

PESA雷達(dá)使用通用的共享射頻源，其中信號(hào)使用以下命令進(jìn)行修改數(shù)控移相器模塊。

以下是PESA雷達(dá)的特點(diǎn)。

? 如圖-1所示，它使用單個(gè)發(fā)射器/接收器模塊。

? PESA雷達(dá)產(chǎn)生無(wú)線電波束，可以電子控制在不同的方向。

? 這里的天線元件與單個(gè)發(fā)射器/接收器接口。這里的PESA與AESA不同，AESA使用單獨(dú)的發(fā)送/接收模塊每個(gè)天線元件。所有這些都由計(jì)算機(jī)控制，如下所述。

? 由于使用頻率單一，極有可能被敵方射頻干擾器干擾。

?掃描速度慢，只能跟蹤單個(gè)目標(biāo)或一次處理單個(gè)任務(wù)。

AESA 雷達(dá)

如前所述，AESA使用電子控制陣列天線其中無(wú)線電波束可以電子控制以指向在不同方向上相同，無(wú)需移動(dòng)天線。它被認(rèn)為是PESA雷達(dá)的高級(jí)版本。

AESA 使用許多單獨(dú)的小型發(fā)送/接收（TRx）模塊。

以下是AESA雷達(dá)的特點(diǎn)。

? 如圖-2所示，它使用多個(gè)發(fā)射器/接收器模塊。

? 多個(gè)發(fā)射/接收模塊與多個(gè)天線接口稱為陣列天線的元件。

? AESA雷達(dá)同時(shí)產(chǎn)生不同無(wú)線電頻率的多個(gè)波束。

? 由于具有在寬范圍內(nèi)產(chǎn)生多個(gè)頻率的能力范圍，它被敵方射頻干擾器干擾的可能性最小。

?它具有快速的掃描速率，可以跟蹤多個(gè)目標(biāo)或多個(gè)任務(wù)。

有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱 AESA 雷達(dá)框圖。

以下是現(xiàn)代PESA和AESA雷達(dá)類型之間的相似之處。

? 現(xiàn)代PESA和AESA通常都是脈沖雷達(dá)。

? 現(xiàn)代PESA和AESA都是頻率捷變和頻率跳躍的在不同時(shí)間的不同頻率。

?兩者都可以有窄帶和寬帶模式。

? 兩者都可用于ECM，被動(dòng)掃描，波束成形等。

AESA代表有源電子掃描陣列。使用這種天線的雷達(dá)被稱為AESA雷達(dá)。它也被稱為有源相控陣?yán)走_(dá)（APAR）。它由單獨(dú)的輻射元件（即天線）組成。這些天線中的每一個(gè)都配備了具有低噪聲接收器的固態(tài)發(fā)射/接收模塊，功率放大器和數(shù)字控制增益/相位元件。

AESA 雷達(dá)工作操作